扫掠曲面在CATIA曲面造型中的应用

扫掠曲面在 CATIA 曲面造型中的应用扫掠曲面在 CATIA 曲面造型中的应用 1 / 11 扫掠曲面在 CATIA 曲面造型中的应用扫掠曲面在 CATIA 曲面造型中的应用 谢龙汉 在曲面造型中，通常是首先进行线框造型得到一系列的线条，再进行曲面造型构建基本 曲面，最后还需要对这些基本曲面进行裁剪、圆角过渡等处理。扫掠曲面就是一种重要 的曲面类型，在曲面造型中具有相当广泛的应用。扫掠曲面是以若干线条为截面线（可 以看作是纬线），以另外若干条线条为导引线（可以看作是经线），截面线沿着导引线 移动，形成了一张曲面。 CATIA V5 所提供的扫掠曲面（Sweep）功能，不但可以构建传统的扫掠曲面类型轮廓 扫掠（具有截面线和导引线），还可以只根据导引线构建直纹面（截面线为直线）、圆 弧曲面（截面线为圆弧）、圆锥曲面（截面线为圆锥曲线）。 在创成式曲面设计模块中，选择菜单【Insert（插入）】 【Surface（曲面）】 【 （扫掠曲面）】，出现如图 1 所示的【Swept Surface Definition（扫掠曲面定义）】对话 框中。 图 1 在对话框的上部“Profile type（轮廓类型）”中，给出了四种轮廓类型，分别是： 轮廓扫掠（Explicit Sweep），以明确的轮廓形状沿着指定的轨迹进行扫掠； 扫掠曲面在 CATIA 曲面造型中的应用扫掠曲面在 CATIA 曲面造型中的应用 2 / 11 直纹面（Line Sweep），系统自动以直线作为轮廓形状，只需要指定导引线及相关 的边界条件，也就是将直线沿着导引线为轨迹进行扫掠，形成直纹面； 圆弧曲面（Circle Sweep），系统自动在指定的若干条导引线及边界条件上构建圆 弧截面，而不需要额外指定轮廓线； 圆锥曲面（Conic Sweep），这种曲面的构建与圆弧曲面有些类似，只是圆锥曲面 所需要的边界条件比较多。 1. 轮廓扫掠轮廓扫掠 轮廓扫掠（Explicit Sweep）就是根据一条截面线（Profile），沿着指定的一条或者两条 导引线（Guiding Curve）进行扫掠，从而形成一张扫掠曲面。这种扫掠曲面的形状主要 取决于截面线和导引线的形状、相对位置（特别是角度）。 轮廓扫掠这种曲面构建类型需要指定三个边界条件，从而也延伸出三种构建方式，这三 种方式在 Subtype（子类型）下拉框中可以进行选择。 具有参考曲面（With reference surface）：需要选择一条截面线（Profile）、一条导引线 （Guiding Curve），在 Reference 选项页中，可以选择一个导引线所在的曲面填入 “Surface（曲面）”输入栏中，这样可以设置截面线在扫掠过程中保持与支持面成一定 的角度，该角度可以在“Angle（角度）”输入栏中设置。也可以不指定参考曲面，那 么将以导引线的中间平面作为参考平面，从而计算扫掠的角度。如图 2 所示，是以一条 圆弧曲线作为截面线， 以另一条曲线作为导引线， 没有指定参考曲面， 扫掠生成的曲面。 如图 3 所示，是在图 2 所选择曲线的基础上，再指定导引线所在的曲面作为参考曲面， 并且设置旋转的角度为 30 度，扫掠生成的曲面。设定一个角度之后，还可以选择所生 成的曲面与参考曲面之间的相对位置，实际上就是有 30 度、120 度、210 度、300 度四 种情况所对应的 4 个象限角（Angle Sector）。 图 2 图 3 角度的控制是一个很有用的方法。在对话框中单击（规则定义）按钮，在【Law Definition（规则定义）】对话中设置一条规律曲线，如图 4 所示，是设置了一条线性关 扫掠曲面在 CATIA 曲面造型中的应用扫掠曲面在 CATIA 曲面造型中的应用 3 / 11 系曲线，起始角度为 0 度，终止角度为 120 度。根据这个角度规则所生成的扫掠曲面如 图 5 所示。 图 4 扫掠曲面在 CATIA 曲面造型中的应用扫掠曲面在 CATIA 曲面造型中的应用 4 / 11 图 5 还可以进一步的应用角度控制的优势，建立形状更加复杂的曲面形状。首先应用公式 功能定义一个角度控制的公式， 例如这里可以增加两个变量 X、 Y 两个实数 （Real） 变量，设定公式为“Y=10*sin(10*PI*X*1rad)”，如图 6 所示。根据这个公式所建立的扫 掠曲面如图 7 所示。 图 6 图 7 脊线（Spine）是曲面扫掠中控制曲面形状的一个有效工具。脊线类似与人体的脊椎， 在扫掠过程中起到对齐的作用。默认情况下的脊线是第一条导引线。实际上，在扫掠过 程中，系统是计算移动过程中每个截面的形状和位置的，指定脊线后，扫描曲面的每一 个截面都是垂直与脊线的，如图 8 所示。 扫掠曲面在 CATIA 曲面造型中的应用扫掠曲面在 CATIA 曲面造型中的应用 5 / 11 图 8 以两条导引线进行扫掠（With two guide curves），可以通过选择一条截面线，并选择两 条导引线。系统要求截面线与两条导引线都相交，并且需要对截面线进行定位 （Anchoring） 。 定位的类型 （Anchoring type） 中有两种： Two points 和 Point and Direction。 Two point 需要分别选择第一条导引线上的一点填入 Anchor point 1（第一条导引线定位 点）中，选择第二条导引线上的一点填入 Anchor point 2（第二条导引线定位点）中。 对于 Point and direction 类型，要求选择第一条导引线上的一点填入 Anchor point 1 中， 选择一个方向作为定位方向。定位实际上是确定了截面线扫掠过程中的对齐和确定位 置。如图 9 所示，就是选择了两条曲线作为导引线的情况，截面线与两条导引线是相交 的，并且以交点作为定位点。 图 9 指定运动方向（With pulling direction），只需要指定一条截面线和一条导引线，并且指 定一个所谓的运动方向， 改运动方向实际上就是确定了截面线在扫掠过程中始终与该方 向保持初始的角度（或者说是相对位置）。如图 10 所示，是以一条直线作为指定的运 动方向所生成的扫掠曲面。 扫掠曲面在 CATIA 曲面造型中的应用扫掠曲面在 CATIA 曲面造型中的应用 6 / 11 图 10 2、直纹面、直纹面 直纹面就是以直线作为截面线（轮廓）沿着指定的导引线或者设定的边界条件进行扫掠 生成扫掠曲面。所谓的直线并不是用户指定的，而是系统通过指定的导引线或者边界条 件计算出来的。 直纹面可以看作是直线的扩展。建立一条直线，可以由两点确定、由一点和方向、由曲 线的切向确定等方式所确定。与此类似，直纹面提供了多种子类型： 两条导引线（Two limits）：提供两条导引线，系统自动计算生成直纹面，这种类型类 似于由两点确定一条直线，两条导引线相对于两条直线。实际上，如果从一个截面上来 看，两条导引线的端点就是直纹面的截面线直线的两个端点。如图 11 所示， 图 11 导引线和中间线（Limit and middle）：与两条导引线的类型相似，同样是选择两条线条， 只不过其中的一条线条是直纹面的中间线，相对于线段的中点。 参考曲面（With reference surface）：选择一条曲线作为导引线，以及选择曲线所在的曲 面作为参考曲面，设置直纹面与参考曲面的角度，以及直纹面的拉伸长度，如图 12 所 示。这种类型相当于通过一点，并与一条参考曲线成一定的角度建立一条直线。 扫掠曲面在 CATIA 曲面造型中的应用扫掠曲面在 CATIA 曲面造型中的应用 7 / 11 图 12 参考曲线（With reference curve ）：需要选择一条曲线作为导引线，并选择一条曲线作 为参考曲线， 设置一个角度和长度生成直纹面。 这种直纹面的生成类型是在一个截面 （或 者称为截平面，垂直于脊线的一个平面，如果没有选择脊线，那么第一条导引线就是默 认的脊线）上，导引线和参考曲线端点所连成的直线作为参考直线，在截面上，建立一 条与参考直线成指定角度的直线，这就是直纹面的直线截面线。如图 13 所示。 图 13 相切曲面（With tangency surface）：选择一条直线作为导引线，选择一张曲面作为相切 曲面。这种直纹面的生成原理是，在截面上，通过一点（导引线）作一条曲线（截面与 相切曲面之间的交线）的切线，通常具有多个解。如图 14 所示。 扫掠曲面在 CATIA 曲面造型中的应用扫掠曲面在 CATIA 曲面造型中的应用 8 / 11 图 14 拔模方向（With draft direction）：选择一条曲线作为导引线，并选择一个方向（可以是 直线或者平面）作为拔模方向，设置拔模角度生成一张直纹面。其生成原理是：导引线 实际是也充当了脊线，在截面内，建立一条与拔模方向成指定角度的直线，这就是直线 截面线，沿着导引线扫掠，就形成了直纹面。如图 15 所示。 图 15 两个相切曲面（With two tangency surfaces）：首先需要一条线条作为脊线，接着选择两 张曲面作为相切曲面。其生成原理是：脊线决定了截面，截面与两个相切曲面之间存在 交线，这种直纹面相对于两条曲线求取共切线。如图 16 所示。 图 16 3、圆弧曲面、圆弧曲面 圆弧曲面是根据所提供的导引线及边界条件，系统自动计算圆弧的尺寸和位置，在大多 数情况， 圆弧曲面只是截面为圆弧形状， 但圆弧半径是根据不同的截面位置进行计算的， 并不一定相同的。 圆弧曲面可以看作是圆弧的扩展， 建立圆弧可以通过三个点、 两点加半径、 一点加半径、 两点加一条切线、一点加一条切线。圆弧曲面（Circle Sweep）功能也提供了多种类型： 三条导引线（Three guides）：需要选择三条曲线作为导引线，可以选择一条脊线来规范 截面的位置。其生成原理是：在截面（垂直于脊线的平面）上，三条导引线与截面的交 点通过计算得到了一条圆弧，这就是圆弧截面线。如图 17 所示。 扫掠曲面在 CATIA 曲面造型中的应用扫掠曲面在 CATIA 曲面造型中的应用 9 / 11 图 17 两条导引线和半径（Two guides and radius）：需要选择两条曲线作为导引线，并设定一 个半径值，可以选择一条线条作为脊线来规范截面的位置，所设定的半径值需要大于两 条导引线最小距离的一半，这种类型通常能够得到 6 个解。其生成原理是：在截面上， 导引线与截面存在两个交点，这两个交点加上指定的半径值，可以生成 4 条圆弧和两个 整圆，共计 6 个解，这些就是圆弧截面线。如图 18 所示。 图 18 中心线和圆弧曲面上一条曲线（Center and two angles）：需要指定一条线条作为圆弧曲 面的中心轨迹线，以及一条曲线作为圆弧曲面上的一条曲线，设置圆弧扫掠的角度。其 生成原理是：在截面上，截面与两条曲线有两个交点，这就相当于以其中一点为圆心， 圆弧通过另一个点，通过指定圆弧的角度，从而确定圆弧的尺寸，这就是圆弧截面线。 如图 19 所示。 扫掠曲面在 CATIA 曲面造型中的应用扫掠曲面在 CATIA 曲面造型中的应用 10 / 11 图 19 中心线和半径（Center and radius）：需要选择一条曲线作为导引线，并设置圆弧半径。 其生成原理是：在截面上，截面与中心线的交点作为圆心，以截面为支持面，以指定的 半径生成一个圆，这就是圆弧截面线。如图 20 所示。 图 20 两条导引线和一个相切曲面（Two guides and tangency surface）：需要选择两条曲线， 并选择一条曲线所在的曲面作为相切曲面。其生成原理是：在截面上，截面与两条曲线 有两个交点、与曲面有一条交线，实际上相对于过一点到一条曲线上的一点求取与曲线 相切的圆弧，这就是圆弧截面线。如图 21 所示。 图 21 扫掠曲面在 CATIA 曲面造型中的应用扫掠曲面在 CATIA 曲面造型中的应用 11 / 11 一条导引线和一个相切曲面（One guide and tangency surface）：选择一条曲线作为导引 线，再选择一张曲面作为相切曲面，同时还需要设置一个角度。其生成原理是：在截面 上，截面和导引线有一个交点，与曲面有一条交线，从交点到曲线上按照指定的半径生 成一条相切圆弧，这就是圆弧截面线。如图 22 所示。 图 22 4、圆锥曲面、圆锥曲面 圆锥曲面是根据所指定的边界条件计算圆锥截面线，沿着导引线生成一张曲面。圆锥曲 线有三种类型：抛物线、椭圆和双曲线。在对话框中的 Parameter 输入栏中可以设置圆 锥曲线的类型，Parameter（参数）0.5 表示截面线为抛物线，0Parameter0.5 表示截 面线为椭圆弧，0.5 Parameter1 表示截面线为双曲线。 建立一张圆锥曲面通常需要 5 个条件，这个与建立圆锥曲线是相同的，这 5 个条件可以 是线条或者切面。例如图